KR20070098691A - 배터리 누출 검출 시스템 - Google Patents

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KR20070098691A
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토비아스 포쓰마이어
이본 요셉
아끼오 야스다
겐지 오기스
요시오 니시
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소니 도이칠란트 게엠베하
소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

본 발명은 기체 감응식 나노 입자 구조물을 갖는 기체 센서를 포함하는 배터리 누출 검출 시스템에 관한 것이다.
배터리, 누출, 기체 센서, 나노 입자 구조물, 기준 센서, 예비 농축기 유닛

Description

배터리 누출 검출 시스템 {Battery Leakage Detection System}
도1은 양호한 실시예에 따른 화학 물질의 검출을 위한 시스템의 개략도.
도2a는 화학 저항식 기체 센서의 개략도.
도2b는 2개의 기체 센서로 구성된 센서 시스템의 개략도.
도3은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 2개의 구획으로 분할된 배터리 팩 또는 배터리 하우징의 개략도.
도4는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 배터리를 테스트하기 위한 간단한 배열의 개략도.
도5는 배터리를 테스트하기 위한 다른 구성의 도면.
도6은 본 발명의 다른 양호한 실시예에 따른 배터리를 테스트하기 위한 다른 구성을 도시하는 도면.
도7은 다른 실시예에 따른 2개의 시스템으로 구성된 배터리를 테스트하기 위한 구성의 개략도.
도8은 또 다른 실시예에 따른 배터리를 테스트하기 위한 구성의 개략도.
도9는 다른 실시예에 따른 도6의 배열과 유사한 배터리를 테스트하기 위한 구성의 개략도.
도10은 양호한 실시예에 따른 화학 저항 장치를 도시하는 도면.
도11a, 도11b 및 도11c는 상이한 전해질의 증기에 대한 센서 응답을 나타내는 선도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 34, 41, 51, 61, 71, 81, 92 : 배터리
13, 24, 25, 35, 36, 42, 64, 74a, 74b, 84, 97 : 기체 센서
23, 103 : 나노 입자 구조물
25 : 기준 센서
53, 65, 75, 94 : 펌프
63, 73, 83, 95 : 예비 농축기 유닛
본 발명은 배터리로부터 누출되는 화학 물질의 검출을 위한 시스템에 관한 것이다.
컴퓨터, 이동 전화, 및 오디오/비디오 장비와 같은 휴대용 전자 장치는 전원으로서 1차 비충전식 또는 2차 충전식 배터리를 사용한다. 충전식 배터리 내에서 사용되는 배터리 셀 및 특히 리튬 이온 배터리 셀은 배터리 셀이 누출되면 사용자에 대해 매우 위험하게 될 수 있는 유해 화학 물질을 담고 있다. 배터리 셀의 그러한 누출은 재료 노화에 의해 그리고 배터리가 가혹한 환경 변화(예를 들어, 온도 변화)를 받으면, 야기될 수 있다. 많은 시도가 배터리 셀의 안전한 취급 및 사용 을 보장하기 위해 이루어졌다.
예를 들어, 2차 전지는 종종 배터리 팩 내에 내장된다. 결함 있는 배터리로부터 누출되는 화학 물질에 의한 호스트 장비의 심각한 손상을 방지하기 위해, 배터리의 하우징 및 배터리 팩을 가능한 한 양호하게 구성하기 위한 시도가 이루어졌다. 또한, 제조된 배터리의 제품 및 품질 제어가 수행된다. 그럼에도 불구하고, 누출로 인한 배터리의 손상 또는 오작동이 배제될 수 없다. 누출 배터리의 검출을 위한 여러 접근이 이루어졌다.
예를 들어, 액체 전해질에 의한 센서의 전극의 전기적 연결에 기초한 배터리 누출 감지 및 경고 시스템의 사용이 미국 특허 제5824883호에서 설명되었다. 액체 전해질에 의한 센서의 저항의 감소에 기초한 검출 시스템이 독일 특허 제4220494호에 설명되어 있다.
누출이 배터리의 액체 전해질과 감지 수단 사이의 접촉에 의해 검출되는 종래 기술의 시스템에서, 감지 수단이 단지 소량의 전해질이 배터리로부터 누출되었을 때의 누출을 검출하기 위해 모든 잠재적인 누출 위치에 가까이 배열되어야 하는 단점이 발생한다. 그렇지 않으면, 감지 수단이 배터리 가까이의 단일 지점에만 배열되면, 감지 수단에 가깝지 않은 배터리 내의 누출은 감지 수단에 도달하기에 충분한 다량의 전해질이 배터리로부터 누출되었을 때에만 검출될 것이다. 공지된 시스템은 큰 감지 영역을 사용함으로써 이러한 문제점을 극복하려고 했지만, 센서를 더욱 고가로 만들고 그의 설치를 더욱 복잡하게 만들었다.
이러한 일반적인 문제점은 누출 전해질이 항상 센서를 향해 신속하게 확산되 는 휘발성 성분을 가지므로, 정확한 누출 위치가 덜 중요한 경우에, 기체 센서에 의해 극복될 수 있다. 일본 특허 제9259898호에 설명된 시스템은 금속 산화물 반도체 센서를 사용한 배터리 주위의 기체상의 조사에 기초한다.
그러나, 지금까지 공지된 각각의 센서는 그의 작동을 위해 높은 온도를 필요로 하고, 이는 다시 센서에 가까이 위치된 배터리 시스템의 잠재적인 위험을 증가시키고 또한 높은 작동 전력을 요구한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 높은 감도 및 매우 낮은 전력 소비를 갖는 고도로 효율적인 배터리 누출 검출 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구범위 제1항에 따른 배터리 누출 검출 시스템에 의해 그리고 청구범위 제13항에 따른 배터리의 누출을 검출하기 위한 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 유리한 실시예가 종속항에서 한정된다.
본 발명에 따르면, 기체 감응식 나노 입자 구조물을 갖는 기체 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템이 제공된다. 이러한 나노 입자 구조물은 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 나노 입자를 포함한다.
화학 물질의 기체상 검출에 기초한 본 발명의 센서는 전해질과의 직접적인 접촉 또는 임의의 시각적 검사를 요구하지 않는다. 그러므로, 이는 매우 작은 크기를 가질 수 있다. 특히, 나노 입자 구조물이 단지 하나의 나노 입자를 포함하는 경우에, 센서는 매우 작은 치수로 설계될 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템은 제작이 빠르고 저렴하며, 매우 민감하다. 추가적으로, 시스템은 매우 작은 전력 소 비를 가지며, 단일 전기 신호 변환만을 요구하는 장점을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 기체 감응식 나노 입자 구조물은 금속 나노 입자/유기 복합재 구조물 또는 반도체 중합체 구조물 또는 중합체/카본 블랙 복합재 구조물 또는 이들 구조물 중 적어도 둘의 조합이다. 그러한 구조물은 휘발성 화학 물질에 대한 매우 높은 감도를 제공한다.
다른 실시예에 따르면, 기체 센서는 그의 컨덕턴스, 커패시턴스, 인덕턴스, 유전 투과율, 편광, 임피던스, 열 용량 또는 온도의 분석물 유도 변화에 기초하여 작동하는 센서이다. 그러한 종류의 센서는 매우 민감하고 매우 작은 전력 소비만을 요구하고 실온에서 작동하므로, 매우 유리하다.
또한, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 질량 감응식 기체 센서, 특히 수정 결정 미량 저울, 표면 음파 장치 또는 화학 감응식 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템이 제공된다. 그러한 장치들은 매우 높은 감도를 포함하고, 매우 소량의 분석물에 응답한다.
다른 실시예에 따르면, 시스템은 센서를 위한 적어도 하나의 기준 센서를 포함하고, 상기 기준 센서 및 상기 센서는 서로로부터 격리된 각각의 기체 감응식 구조물을 포함한다. 기준 센서의 사용은 온도 또는 습도의 증가 또는 감소와 같은 환경 변화가 기준 센서의 사용에 의해 제거될 수 있어서, 시스템의 측정 감도를 더욱 증가시키는 장점을 갖는다.
다른 양호한 실시예에 따르면, 기준 센서 및 센서는 온도 교환을 위해 접촉한다. 이러한 실시예에 의해, 측정 결과에 부동성을 부가하는 온도 변화가 측정으 로부터 제거될 수 있고, 이는 화학 물질을 검출하기 위해 사용되는 센서와 기준 센서 사이의 비율이 계산되어 측정을 위한 기준선을 발생시킬 수 있기 때문이다. 또한, 양 센서들은 동일한 기판 상에 제공될 수 있어서, 제작 공정 및 예를 들어 모니터링되는 전자 장비 내의 배터리 하우징 내의 위치에서의 센서의 장착을 용이하게 한다.
다른 유리한 실시예에 따르면, 시스템은 기체 센서가 배열되는 폐쇄 또는 밀폐된 하우징, 특히 배터리 하우징을 포함한다. 폐쇄 또는 밀폐된 하우징을 제공하는 것은 시스템의 감도를 더욱 증가시키고, 이는 결함 있는 배터리로부터 나오는 기체상의 화학 물질이 배터리와 센서로부터 더욱 멀리 확산되는 것이 방지되기 때문이다.
다른 양호한 실시예는 추가의 기체 센서가 배열되는 추가의 폐쇄 또는 밀폐된 하우징을 제공한다. 둘 이상의 배터리가 제공되는 장치에서, 이들은 적어도 하나의 센서를 각각 포함하는 분리된 폐쇄 또는 밀폐된 하우징 내에 위치될 수 있다. 따라서, 하나의 센서는 항상 다른 하우징 내에 제공된 다른 센서에 대한 기준 센서로서 역할할 수 있다.
다른 양호한 실시예에 따르면, 시스템은 서로 연결된, 결함 있는 배터리로부터의 휘발성 화학 물질을 수집하기 위한 깔때기, 상기 센서를 수용하는 센서 챔버, 상기 센서로 공기를 펌핑하고 그리고/또는 상기 센서를 지나 공기를 흡인하기 위한 펌프, 및/또는 예비 농축기 유닛을 포함한다. 예를 들어 적합한 파이프 시스템에 의해 이러한 실시예에 따른 요소들 중 하나 이상을 조합함으로써, 제작 공정 중에 또는 그 후에 누출에 대해 배터리를 테스트하기 위한 시스템이 제공될 수 있다.
또 다른 유리한 실시예는 시스템 내에 제공된 테스트 위치로 그리고 그로부터 배터리를 이송하기 위한 수단, 및/또는 결함 있는 배터리를 자동으로 분류하기 위한 수단을 제공한다. 이러한 실시예에 따르면, 배터리에 대한 완전 자동 테스트 시스템이 구상될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 전자 장비 내에 배터리 누출 검출 시스템을 제공하는 것이 양호하다. 그러한 전자 장비는 양호하게는 휴대용일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리의 누출을 검출하기 위한 방법이 제공되고, 방법은 배터리 가까이에 기체 감응식 나노 입자 구조물을 갖는 기체 센서를 제공하는 단계와, 결함 있는 배터리를 표시하는 상기 기체 센서 내의 전기 컨덕턴스, 커패시턴스, 인덕턴스, 유전 투과율, 편광, 임피던스, 열 용량 또는 온도와 같은 물리량의 분석물 유도 변화를 검출하는 단계를 포함한다. 언급된 단계를 포함하는 본 발명의 발명을 사용하여, 매우 작은 전력만을 소비하는 고도로 효율적인 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에 따르면, 방법은 또한 상기 기체 센서 전방에 예비 농축기 유닛을 제공하는 단계와, 결함 있는 배터리로부터의 휘발성 화학 물질을 상기 예비 농축기 유닛과 접촉시키는 단계와, 상기 예비 농축기 유닛에 흡착된 휘발성 화합물을 탈착시키기 위해 상기 예비 농축기 유닛에 열 펄스를 인가하는 단계와, 상기 탈착된 휘발성 화합물을 상기 기체 센서와 접촉시키는 단계를 포함한다. 그러한 단계를 제공하여, 본 발명의 방법은 훨씬 더 높은 감도를 제공받 을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 방법은 상기 기체 센서 내의 전기 컨덕턴스, 커패시턴스, 인덕턴스, 유전 투과율, 편광, 임피던스, 열 용량 또는 온도의 분석물 유동 변화가 검출되는 경우에 광학 또는 음향 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 방법은 상기 결함 있는 배터리를 자동으로 분류하는 추가의 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특성, 장점, 및 특징은 이제 첨부된 도면과 조합하여 본 발명의 양호한 실시예를 설명하는 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도1 내지 도3은 기체 센서가 어떻게 배터리 하우징 또는 배터리 팩 내에 채용될 수 있는지의 예를 제공한다. 그러한 예는 양호하게는 전자 제품 내의 배터리를 모니터링하기 위한 본 발명의 용도에 관련된다.
도1은 제1 실시예에 따른 배열을 도시한다. 기체 센서(13)가 각각 배터리 하우징(12) 또는 배터리 팩 내에 위치된다. 배터리(11)가 화학 물질을 누출시키기 시작하면, 휘발성 화합물이 센서(13)의 위치로 확산되어 센서 신호(14)를 생성한다. 후자는 안전 관리 시스템(15)에 의해 예를 들어 제품의 사용자에게 메시지를 제공하고 그리고/또는 안전 차단을 개시하도록 사용된다. 안전 관리 시스템(15)은 센서 신호를 송신 또는 수신하거나, 배터리 상태에 대한 정보를 원격 위치에 제공하기 위해 인트라넷 또는 인터넷 연결을 이용할 수 있다. 배터리 하우징(12) 내의 공기 순환을 최소화하여 누출 배터리(11)의 신뢰할 수 있는 검출을 보장하기 위해, 배터리 하우징(12)은 폐쇄되거나 기밀식인 것이 양호하다.
본 발명에 대해 사용될 수 있는 많은 유형의 기체 센서(13)가 이용 가능하다. 그러한 센서는 또한 수정 결정 미량 저울(QCM) 또는 표면 음파(SAW) 장치에 기초한 질량 감응식 센서일 수 있다. 다른 예는 컨덕턴스, 커패시턴스, 인덕턴스, 유전 투과율, 편광, 임피던스, 열 용량 또는 온도와 같은 물리적 또는 화학적 특성 중 하나 이상의 분석물 유동 변화에 기초하여 작동하는 센서이다. 더욱 구체적인 예는 화학 감응식 전계 효과 트랜지스터(Chem-FET)이다. 본 발명에서 사용되는 센서는 집적 회로의 일부일 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
도2a는 본 발명의 목적을 위해 사용되는 양호한 기체 센서를 도시한다. 도2a는 화학 저항식 기체 센서를 도시한다. 기판(21) 상에 코팅된 감응 필름 재료(23)가 그의 전기 저항을 측정하기 위해 2개의 전극(22)에 의해 접속된다. 필름이 분석물에 노출될 때, 그의 전기 저항의 변화가 센서 신호로서 사용된다. 화학 저항식 센서에 대해 사용되는 필름 재료의 많은 예가 보고되었고, 이는 전도성 및 반전도성 중합체, 중합체/카본 블랙 복합재 필름, 금속 산화물 반도체, 탄소 나노 튜브, 금속 산화물 나노 섬유를 포함한다. 전력 소비를 가능한 한 낮게 유지하고 안전한 작동을 보장하기 위해, 실온에서의 작동을 가능케 하는 센서 코팅이 양호하다. 금속-나노 입자/유기 복합재 재료로부터의 센서 코팅이 특히 양호하다.
도2b는 센서 장치의 더욱 양호한 배열을 도시한다. 이러한 장치는 2개의 센서(24, 25)를 조합하고, 이 중 하나는 불활성 재료(26)로 코팅되거나 (캡슐화되어 ), 화학 감응 표면은 배터리 누출의 경우에 휘발성 화학 물질에 노출되지 않는다. 코팅된 센서(25)는 기준 센서로서 작용하고, 센서 코팅의 온도 드리프트 및/또는 노화를 보상하도록 사용된다. 효율적인 온도 드리프트 보상을 가능케 하기 위해, 양 센서(24, 25)가 서로 양호한 열 접촉을 하는 것이 중요하다. 당업자는 소위 비율 측정(ratiometric) 센서를 포함하는 그러한 센서 배열을 알고 있다. 2개의 센서(24, 25)는 민감한 센서 판독을 가능케 하기 위해 전위 분할기 또는 휘트스톤 브리진 배열의 일부일 수 있다. 적합한 센서 코팅으로서, 감응 재료가 사용될 수 있다. 양호한 센서 코팅은 도2a에 대해 전술한 바와 같은 것을 포함할 수 있다.
도3은 특수한 배열을 도시한다. 이러한 경우에, 배터리 하우징(22) 또는 배터리 팩은 2개의 구획(31, 32)으로 분할된다. 이들 구획은 충분히 밀봉되거나 기밀식일 수 있어서, 2개의 구획(31, 32) 사이 및 외부 환경과의 기체 교환을 최소화하거나 배제한다. 각각의 구획(31, 32) 내에, 양호하게는 동일한 유형이며 양호하게는 동일한 감지 재료를 포함하는 하나의 화학 센서(35, 36)가 있다. 전술한 경우에서와 유사하게, 2개의 센서(35, 36)의 신호들은 예를 들어 그들의 전기 저항의 비율을 모니터링함으로써 서로 비교된다. 온도 변동으로 인한 기준선 드리프트를 보상하기 위해, 양 센서(35, 36)는 양호하게는 서로 양호한 열 접촉을 한다. 전술한 바와 같이, 센서(35, 36)는 민감한 센서 판독을 가능케 하기 위해 전위 분할기 또는 휘트스톤 브리지 배열의 일부일 수 있다. 하나의 구획(31) 내에서, 배터리 셀(34)이 누출되기 시작하면, 휘발성 화학 물질이 그러한 구획 내에 위치된 센서(35)의 신호를 생성하지만, 다른 센서(36)는 영향을 받지 않고 유지된다. 따라 서, 센서 저항의 비율이 변화한다. 이러한 신호(37)는 전술한 바와 같이, 정보를 추가 처리하기 위해 안전 관리 시스템(38)에 제공된다.
양호하게는, 사용되는 센서(35, 36)는 도2a에 대해 도시되고 설명된 바와 같은 화학 저항식 센서이다. 또한, 도2b 및 도2a에 도시된 센서들의 조합이 가능하다. 임의의 적합한 센서 재료가 코팅으로서 사용될 수 있다.
2개의 구획(31, 32) 대신에, 배터리 하우징 또는 배터리 팩은 하나의 기체 센서를 각각 구비한 더 많은 구획으로 분할될 수 있다는 것이 명백하다.
제작 공정에서의 결함 있는 배터리 셀의 검출 위한 기체 센서의 적용에 관해 (즉, 품질 및/또는 제품 제어에 대해), 다음의 실시예가 양호하다.
도4는 배터리 셀의 품질 제어에 대한 간단한 배열을 도시한다. 시스템은 기체 센서(42)를 포함하는 커버(43)를 포함한다. 누출 테스트를 위해, 커버(43)는 테스트되는 배터리(41) 상에 설치된다. 배터리(41)가 누출을 가지면, 센서 신호(44)는 로봇 시스템(45)이 결함 있는 배터리를 자동으로 분류하도록 시작하게 할 수 있거나 임의의 광학 또는 음향 신호를 생성할 수 있다. 센서(42)는 단일 센서일 수 있거나, 또한 도2b에 도시된 바와 같은 기준 센서를 사용할 수 있다. 기준 센서가 커버 내부에 위치되면, 이는 캡슐화되어야 한다. 기준 센서가 커버 외부에 위치되면, 이는 캡슐화될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 전술한 바와 같이, 기준 센서 및 샘플링 센서는 양호하게는 양호한 열 접촉을 한다. 임의의 적합한 센서 재료가 센서 코팅으로서 사용될 수 있다. 그러나, 실온에서 작동되고 도2a에 대해 전술한 화학 저항식 센서가 양호하다.
도5는 배터리 셀(51)의 품질 제어를 위한 양호한 센서 배열을 도시한다. 시스템은 결함 있는 배터리 셀(51)로부터 방출되는 휘발성 화학 물질을 수집하기 위한 깔때기(52)를 포함한다. 깔때기 후방에, 기체 센서(54)를 포함하는 센서 챔버가 배열된다. 센서 후방에, 깔때기(52)에 의해 수집된 공기를 센서 셀을 통해 배기구(55)로 펌핑하는 펌프(53)가 설치된다. 기체를 운반하기 위해, 파이프 시스템이 제공되어 상기 구성요소들을 연결한다. 다양한 기체 센서(54)가 사용될 수 있지만, 전술한 바와 동일한 센서 및 센서 재료가 양호하다. 온도 변동으로 인한 기준선 드리프트를 보상하기 위해 사용되는 캡슐화된 기준 센서를 사용하는 도2b에 도시된 바와 같은 센서가 훨씬 더 양호하다. 센서(54)가 결함 있는 배터리 셀(51)을 검출하면, 센서 신호(56)는 예를 들어 결함 있는 배터리를 자동으로 분류할 수 있는 로봇 시스템(57)을 시작하게 할 수 있다.
예비 농축기 유닛을 사용하는 양호한 실시예에 따른 시스템이 도6에 도시되어 있다. 결함 있는 배터리(51)의 검출에 대한 감도를 향상시키기 위해, 센서 시스템은 예비 농축기 유닛(63)을 채용할 수 있다. 예비 농축기 유닛은 당업자에게 일반적으로 공지되어 있다. 예비 농축기 유닛(63)은 기체 센서(64) 전방에 설치된다. 두 구성요소 사이에, 4-포트 밸브(66)가 제공된다. 예비 농축 모드에서, 밸브는 오염되지 않은 공기를 입구(67)로부터 센서 챔버를 통해 추기하도록 허용하는 위치에 있다. 이러한 시간 동안, 센서(64)의 기준선이 측정된다. 동시에, 깔때기(62)에 의해 수집된 공기가 펌프(65)에 의해 예비 농축기 유닛(63)을 통해 펌핑되고, 휘발성 화합물이 기체 크로마토그래피에서 사용되는 바와 같은 적합한 흡착 제(예를 들어, 카보팩 X, 테낙스 TA, 또는 카복센 1000)에 흡착된다. 예비 농축 절차는 4-포트 밸브(66)를 예비 농축기 유닛(63)이 센서 챔버와 연결되고 입구(67)로부터의 오염되지 않은 공기가 바이패스를 통해 펌핑되는 위치로 절환함으로써 정지된다. 동시에 또는 약간 지연되어, 예비 농축기 유닛(63) 내부의 흡착제에 흡착된 화합물은 가열기(63a)에 의해 열 펄스를 인가함으로써 탈착된다. 센서 챔버를 통해 펌핑되어 기체 센서(64)와 접촉하는 방출된 휘발성 화합물은 센서 신호(68)를 생성한다. 전술한 바와 같이, 센서 신호는 시스템(69)에 의해 검출된 결함 있는 배터리(61)를 분류하도록 사용될 수 있다. 시스템을 최적화하기 위해, 이는 기체 유동을 최적화하기 위한 추가의 밸브 또는 노즐을 포함할 수 있다. 전술한 바와 동일한 양호한 센서 및 센서 재료가 사용될 수 있다.
시스템의 더욱 진보된 버전에 따른 실시예가 도7에 도시되어 있다. 시스템은 각각 2개의 예비 농축 유닛(73) 및 각각 2개의 센서(74a, 74b)를 포함하는 2개의 센서 챔버로 구성된다. 시스템 중 하나(79b)는 기준 시스템으로서 사용된다. 전술한 바와 같이, 양 시스템의 센서(74a, 74b)들은 양호하게는 서로 양호한 열 접촉을 한다. 양 시스템은 동기화되어 작동한다. 예비 농축 단계에서, 입구(76)로부터의 오염되지 않은 공기가 펌프(75)에 의해 기준 시스템(79b)의 예비 농축기 유닛(73) 및 센서 챔버를 통해 펌핑된다. 동시에, 깔때기(72)에 의해 수집된 공기가 샘플링 시스템(79a)의 예비 농축기 및 센서 챔버를 통해 펌핑된다. 예비 농축 단계는 각각의 예비 농축기 유닛(73)을 둘러싸고 와이어(73a)에 의해 공급되는 코일에 의해 양 예비 농축기 유닛(73)을 가열함으로써 정지되어, 흡착되었을 수 있는 화학 물질을 탈착시킨다. 배터리(71)가 누출되지 않는 경우에, 양 센서 신호(77)는 유사하고, 센서 신호들의 비율은 현저하게 변화하지 않는다. 그러나, 조사되는 배터리(71)가 휘발성 화학 물질을 누출시키고, 이것이 샘플링 시스템의 예비 농축 유닛(73) 내에서 농축되면, 양 센서 신호(77)는 현저하게 다르고, 신호 비율은 변화한다. 이러한 신호는 그 다음 적합한 장치(78)에 의해 결함 있는 배터리(71)를 분류하도록 사용될 수 있다. 시스템을 최적화하기 위해, 이는 기체 유동을 최적화하는 추가의 밸브 또는 노즐을 포함할 수 있다. 시스템은 또한 기준 시스템의 예비 농축 유닛(73)과 같은 구성요소를 생략함으로써 단순화될 수 있다. 전술한 바와 동일한 양호한 센서 및 센서 재료가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 검출 시스템의 다른 양호한 실시예가 도8에 도시되어 있다. 이러한 예에서, 펌프 시스템은 "통기 시스템"(85)이다. 그가 깔때기(82)로부터 센서 셀을 통해 공기를 흡인할 때, 예비 농축기 유닛(83)은 누출되는 배터리 셀(81)로부터 휘발성 화학 물질을 수집한다. 기체 유동의 방향을 절환한 후에, 예비 농축기 유닛(83)은 가열되어, 유닛(83)으로부터 화학 물질을 탈착시킨다. 탈착된 화학 물질은 그 다음 센서 챔버 내에서 센서(84)에 의해 검출된다. 센서 신호(86)는 적합한 장치(87)에 의해 결함 있는 배터리 셀을 분류하도록 사용될 수 있거나 컴퓨터와 같은 전자 장치 상에 대응하는 표시를 생성하는 것과 같은 임의의 다른 목적으로 사용될 수 있다. 도7에 도시된 시스템과 유사하게, 시스템은 기준 시스템을 구비할 수 있다. 전술한 바와 동일한 양호한 센서 및 센서 재료가 양호하다.
처리량을 증가시키기 위해, 전술한 임의의 센서 시스템 중 둘 이상이 조합될 수 있다. 조합된 센서 시스템은 양호하게는 병렬로 작동하고, 배터리 셀의 높은 처리량을 가능케 한다.
품질 제어 절차 중에, 배터리 셀은 누출되는 배터리 셀로부터의 화학 물질의 증발을 향상시키기 위해 실온 이상으로 가열될 수 있다.
전술한 센서 시스템은 또한 제품 제어 목적으로 사용될 수 있다. 그러한 경우에, 많은 다른 온전한 배터리 셀과 함께 용기 내에 있는 하나 또는 몇몇의 결함 있는 배터리 셀을 검출하는 것이 목적이다. 이러한 용도에 대한 가장 간단한 해결책은 본질적으로 많은 배터리를 포함할 수 있는 도4에 도시된 시스템의 대형 버전이다. 도9는 도6의 실시예와 유사한 대응하는 실시예에 따른 배터리 제품 제어 시스템을 도시한다. 도9에서, 동일한 도면 부호가 동일하거나 유사한 부분에 대해 사용된다. 깔때기 대신에, 여러 배터리(92)를 포함하는 박스(91)가 설치된다. 또한, 박스는 공기의 유입을 위한 개방부(93)를 포함한다. 전술한 바와 동일한 센서 구성이 사용될 수 있다. 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해, 둘 이상의 센서가 각각 커버 또는 박스 내에 설치될 수 있다. 각각의 센서 커버는 또한 전술한 바와 같이 커버 내부 또는 커버 외부에 위치될 수 있는 기준 센서를 사용할 수 있다. 부분적으로 개방된 커버 대신에, 배터리 및 샘플링 센서를 포함하는 폐쇄 용기를 사용하는 것도 가능하다.
샘플 체적이 단일 배터리 셀의 품질 제어의 경우에서보다 훨씬 더 크므로, 예비 농축기 유닛과 함께 작동하는 센서 시스템은 제품 제어 용도에 대해 매우 유용할 수 있다. 따라서, 원칙적으로는, 예비 농축기 유닛과 조합된 전술한 동일한 센서 시스템이 사용될 수 있다. 깔때기가 배터리의 배치를 완전히 덮는 것이 양호하다. 샘플링 시스템이 배터리를 포함하고 통기 시스템을 구비한 박스와 조합되는 것도 가능하다. 통기 시스템은 공기 유동이 배터리 용기 내에서 균일하게 분배되어 각각의 배터리의 국소 환경 내에서의 공기 유동이 대체로 동일하도록 보장한다.
전술한 기체 샘플링 공정과 병렬로, 배터리 셀은 충전될 수 있고, 그리고/또는 그의 전기적 성능이 확인될 수 있다. 이러한 경우에, 용기는 각각의 배터리를 전기적으로 연결하기 위한 전기 리드 및 전극을 구비한다. 제품 제어 절차 중에, 배터리 셀은 또한 누출되는 배터리 셀로부터의 화학 물질의 증발을 향상시키고 다양한 온도에서 그의 성능을 테스트하기 위해, 실온 이상으로 가열될 수 있다.
이러한 모든 실시예에 대해, 작동을 위해 가열될 필요가 있는 대부분의 금속 산화물에 기초한 센서와 대조적으로, 내부 가열을 요구하지 않는 기체 센서의 사용이 양호하다. 이는 장치의 전력 소비를 낮춘다. 양호하게는, 본 발명에 따른 센서는 본 기술 분야에서 당업자에게 일반적으로 공지된 바와 같이 전도성 또는 반전도성 중합체, 또는 중합체/카본 블랙 복합재 필름에 기초한다. 기체 감응 코팅으로서 금속-나노 입자/유기 복합재 필름을 채용하는 센서가 더욱 양호하다. 이중 또는 다기능성 유기 분자에 의해 상호 연결된 금속 나노 입자로 구성된 필름이 가장 양호하다.
이러한 감응 코팅은 전술한 바와 같이 컨덕턴스, 커패시턴스, 인덕턴스, 유전 투과율, 편광, 임피던스, 열 용량 또는 온도의 분석물 유도 변화에 기초하여 작동하는 QCM, SAW, Chem-FET 장치 또는 센서와 같은 많은 유형의 기체 센서에 대해 사용될 수 있다.
양호하게는, 컨덕턴스의 변화는 분석물, 즉 결함 있는 배터리로부터 누출되는 전해질의 존재를 표시하도록 사용된다. 더욱이, 분리된 유닛 내의 그러한 화학 저항의 작동은 또한 집적 회로 내로의 용이한 집적을 가능케 한다. 가능한 화학 저항 장치의 일례가 도10에 도시되어 있다. 여기서, 기판(101)이 화학 감응 코팅(103)으로 덮인 상호 연결된 전극 구조물(102)을 제공한다. 이러한 코팅은 예를 들어 이중 또는 다기능성 분자(105)에 의해 상호 연결된 금속 나노 입자(104)로 구성된다. 이러한 코팅은 공지된 층간 자기 조립 방법을 거쳐 쉽게 준비되어 균질의 나노 세공 박막 필름을 생성할 수 있다. 그러한 필름에서, 나노 입자는 전기 전도를 가능케 하고, 유기 입자는 분석물과의 상호 작용을 위한 위치를 제공한다. 따라서, 감응 코팅의 선택성은 유기 결합제 분자의 화학적 특성을 변경함으로써 규정된 분석물에 대해 조정될 수 있다.
그러한 센서 재료의 컨덕턴스의 분석물 유도 변화는 당업자에 의해 공지된 바와 같이, 보통 재료의 팽창 및 나노 입자 코어의 유전 환경의 변화의 측면에서 논의된다.
도11a 내지 도11c에서, 에틸렌 카보네이트(도11a), 프로필렌 카보네이트(도11b), 및 N-메틸프로필리디니온 용제(도11c)의 전해질의 증기에 대한 몇몇 센서의 응답이 도시되어 있다. 이러한 예에서, 센서 재료는 상이한 유기 디치올(MAO = 1,8-비스(2-머캅토아세트아미도)옥탄, MAC = 1,4-비스(2-머캅토아세트아미도)사이클로헥산, HDT = 헥사데칸 디치올, MAH = 2,6-비스(2-머캅토아세트아미도)헥산)에 의해 상호 연결된 금 나노 입자를 포함한다. 모든 센서 재료는 수 초 내에 그들의 초기 저항에 대한 저항의 증가(ΔR/RIni = 2 - 16%)와 역으로 반응한다. 이러한 결과는 실온에서 작동되는 이러한 화학 저항이 본 발명의 목적에 대해 적합하다는 것을 보여준다.
다음의 실험 단계를 사용하여, 본 발명은 예시적인 실시예에 따라 구현되었다.
a) 나노 입자 합성: 이러한 입자는 종래 기술에서 공지된 바와 같이 브롬화 테트라옥틸암모늄 및 도데실아민의 존재에서 NaBH4에 의한 AuCl3의 환원에 의해 준비되었다. 입자는 분별 침전에 의해 분리되었다. 총 5개의 분획이 준비되었고, 그로부터 분획 3이 필름 제조를 위해 사용되었다. TEM 영상이 4 nm의 평균 입자 직경 및 대략 30%의 다소 넓은 크기 분포를 드러냈다.
b) 1,6-비스(2-머캅토아세트아미도)헥산(MAH)의 합성: 1,6-디아미노헥산 및 트리에틸아민이 브롬아세틸브로미드와 함께 교반되었다. 정제 후에, 1,6-비스(브롬아세트아미도)헥산이 얻어졌다. 생성물은 치오아세트산 칼륨과 함께 교반되어, 정제된 후에 1,6-비스(2-치오아세토-아세트아미도)헥산을 생성했다. 이는 그 다음 K2CO3와의 환류에 의해 분해되었다. 중화 및 정제 단계 후에, 이는 원하는 생성물인 1,6-비스(2-머캅토아세트아미도)헥산(MAH)을 생성했다.
c) 1,4-비스(2-머캅토아세트아미도)사이클로헥산(MAC)의 합성: MAC의 합성을 위해, MAH에 대한 것과 동일한 루트가 사용되었다.
d) 1,8-비스(2-머캅토아세트아미도)옥탄(MAO)의 합성: MAO의 합성을 위해, MAH에 대한 것과 동일한 루트가 사용되었다.
e) 1,16-헥사데칸디치올(HDT)의 합성: HDT는 일반적으로 공지된 방법에 따라 합성되었다.
f) 필름 준비: 나노 입자 필름은 일반적으로 공지된 층간 자기 조립 방법을 사용하여 준비되었다. BK7 유리 또는 산화된 실리콘 웨이퍼가 기판으로서 사용되었다. 전자 및 증기 감지 특성을 조사하기 위해, 유리 기판은 상호 연결된 금 전극 구조물(5 nm의 티타늄 접착 층, 10 ㎛의 간격, 1800 ㎛의 중첩부를 포함하는, 10 ㎛ 폭 및 100 nm 높이의 50개의 핑거 쌍)을 구비했다. 필름 적층 이전에, 기판은 3-아미노프로필디메틸에톡시실란에 의해 세척되어 기능화되었다. 기판을 세척한 후에, 필름은 입자 및 결합제 용액 내에 기판을 교대로 침지시킴으로써 적층되었다. 이는 덴드리머에 대해 10회, 디치올 결합제에 대해 14회 행해졌다. 따라서, 필름 적층은 달리 언급되지 않으면, 기판을 결합제 용액으로 처리함으로써 마무리되었다. 금 입자의 적층은 필름의 컨덕턴스를 측정하고, 각각의 결합제 노광 후에 UV/Vis 스펙트럼을 수집함으로써 모니터링되었다. 그러한 측정 이전에, 필름은 질소 스트림 하에서 간단하게 건조되었다.
g) 증기 감도 측정: 필름의 화학적 감도를 조사하기 위해, 기판은 테프론으로 제조된 테스트 셀 내에 장착되었다. 센서 신호는 공기와 테스트 증기 사이에서 절환하면서, 일정한 직류를 인가하고 (키이쓸리 소스-미터(Keithley Source-Meter) 2400), 전극을 가로지른 전압을 측정함으로써 (키이쓸리 2002 멀티미터), 저항의 상대 변화로서 포고 핀을 거쳐 측정되었다. 보통, 센서는 약 0.1 V의 인가 바이어스로 작동되었다. 테스트 증기가 에틸렌 카보네이트의 증기를 포화시켰을 때, 프로필렌 카보네이트 및 N-메틸피롤리디논이 사용되었다. 테스트 챔버 내의 유동은 모든 실험에 대해 일정하게 유지되었다. 모든 실험은 실온에서 수행되었다.
청구범위, 명세서, 및 도면에 개시된 본 발명의 특징들은 단독으로 또는 임의의 조합으로 본 발명을 구현하기 위해 중요할 수 있다.
본 발명에 따르면, 높은 감도 및 매우 낮은 전력 소비를 갖는 고도로 효율적인 배터리 누출 검출 시스템이 제공될 수 있다.

Claims (16)

  1. 배터리 누출 검출 시스템에 있어서,
    기체 감응식 나노 입자 구조물(23; 103)을 갖는 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 기체 감응식 나노 입자 구조물(23; 103)은 금속-나노 입자/유기 복합재 구조물 또는 반전도성 중합체 구조물 또는 중합체/카본 블랙 복합재 구조물 또는 이들 구조물 중 적어도 둘의 조합인 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)는 그의 컨덕턴스, 커패시턴스, 인덕턴스, 유전 투과율, 편광, 임피던스, 열 용량 또는 온도의 분석물 유도 변화에 기초하여 작동하는 센서인 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 센서는 질량 감응식 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)이고, 특히 수정 결정 미량 저울, 표면 음파 장치, 또는 화학 감응식 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 센서인 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)에 대한 적어도 하나의 기준 센서(25)를 포함하고, 상기 기준 센서(25) 및 상기 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)는 서로로부터 격리된 각각의 기체 감응 구조물(23; 103)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기준 센서(25) 및 상기 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)는 온도 교환을 위해 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)가 배열되는 폐쇄 또는 밀폐된 하우징(12; 33; 43), 특히 배터리 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 추가의 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)가 배열되는 추가의 폐쇄 또는 밀폐된 하우징(12; 33; 43)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 하우징(12; 33; 43) 내에 배열된 하나의 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)는 상기 추가의 하우징(12; 33; 43) 내의 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)에 대한 기준 센서인 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 연결된, 결함 있는 배터리(11; 34; 41; 51; 61; 71; 81; 92)로부터의 휘발성 화학 물질을 수집하기 위한 깔때기(52; 62; 72; 82), 상기 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)를 수용하는 센서 챔버, 공기를 상기 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)로 펌핑하고 그리고/또는 공기를 상기 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)를 지나 흡인하기 위한 펌프(53; 65; 75; 94), 및/또는 예비 농축기 유닛(63; 73; 83; 95)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리(11; 34; 41; 51; 61; 71; 81; 92)를 시스템 내에 제공된 테스트 위치로 그리고 그로부터 이송하기 위한 수단, 및/또는 결함 있는 배터리(11; 34; 41; 51; 61; 71; 81; 92)를 자동으로 분류하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 포함하는 전기 장비.
  13. 배터리(11; 34; 41; 51; 61; 71; 81; 92)의 누출을 검출하기 위한 방법에 있어서,
    배터리(11; 34; 41; 51; 61; 71; 81; 92) 가까이에 기체 감응식 나노 입자 구조물(23; 103)을 갖는 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)를 제공하는 단계와,
    결함 있는 배터리(11; 34; 41; 51; 61; 71; 81; 92)를 표시하는 상기 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97) 내의 전기 컨덕턴스, 커패시턴스, 인덕턴스, 유전 투과율, 편광, 임피던스, 열 용량 또는 온도의 분석물 유도 변화를 검출하는 단계를 포함하는 배터리 누출 검출 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97) 전방에 예비 농축기 유닛(63; 73; 83; 95)을 제공하는 단계와,
    결함 있는 배터리(11; 34; 41; 51; 61; 71; 81; 92)로부터의 휘발성 화학 물질을 상기 예비 농축기 유닛(63; 73; 83; 95)과 접촉시키는 단계와,
    상기 예비 농축기 유닛(63; 73; 83; 95)에 흡착된 휘발성 화합물을 탈착시키기 위해 상기 예비 농축기 유닛(63; 73; 83; 95)에 열 펄스를 인가하는 단계와,
    상기 탈착된 휘발성 화합물을 상기 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97)와 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 기체 센서(13; 24, 25; 35, 36; 42; 64; 74a, 74b; 84; 97) 내의 전기 컨덕턴스, 커패시턴스, 인덕턴스, 유전 투과율, 편광, 임피던스, 열 용량 또는 온도의 분석물 유도 변화가 검출된 경우에, 광학, 음향, 및/또는 데이터 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결함 있는 배터리(11; 34; 41; 51; 61; 71; 81; 92)를 자동으로 분류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누출 검출 방법.
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